(57)【要約】【課題】必要な温度を簡単かつ確実に検知して、より有効に自動化して鋳型加熱手段の温度を制御し、高品質のシリコンインゴットを低コストで得る鋳造装置を提供することを目的とする。【解決手段】シリコン原料１３を加熱溶解したシリコン融液１４を底部に設けた出湯口３から出湯する溶解坩堝と、出湯口３に垂下して設けられたノズル５と、溶解坩堝１の下方に配置され、側部９ａと底部９ｂとからなり上部に開口した鋳型９と、鋳型９の側部９ａの外周を囲繞するように配設された鋳型断熱材１１と、鋳型９と溶解坩堝１との間に配設された鋳型加熱手段８と、鋳型９の下方に配設された冷却手段１２と、ノズル５の直下部を監視するように配設された放射温度計４と、放射温度計４によって測定された温度に基づいて鋳型加熱手段８の加熱状態を制御する温度制御手段１６と、を具備した鋳造装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン原料を加熱溶解したシリコン融液を底部に設けた出湯口から出湯する溶解坩堝と、前記出湯口に垂下して設けられたノズルと、前記溶解坩堝の下方に配置され、側部と底部とからなり上部に開口した鋳型と、前記鋳型の側部の外周を囲繞するように配設された鋳型断熱材と、前記鋳型と前記溶解坩堝との間に配設された鋳型加熱手段と、前記鋳型の下方に配設された冷却手段と、前記ノズルの直下部を監視するように配設された放射温度計と、前記放射温度計によって測定された温度に基づいて前記鋳型加熱手段の加熱状態を制御する温度制御手段と、を具備した鋳造装置。
【請求項２】
前記放射温度計は、前記鋳型の内部に出湯を完了したときのシリコン融液の液面位置に該当する前記ノズルの直下部を監視するように配設された請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項３】
前記鋳型の側部および底部は、鋳型内部側に離型材層を備えるとともに、前記放射温度計は、その監視する方向の延長線上に前記側部の離型材層が位置するように配設された請求項２に記載の鋳造装置。
【請求項４】
前記ノズルは、その出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状が矩形状または楕円形状であり、この投影形状の長手方向は、前記放射温度計の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線と同一方向とした請求項１から３のいずれか一項に記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶解坩堝のノズルと鋳型との間における温度を非接触で検知する放射温度計を備えたシリコン多結晶を製造するための鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池はクリーンな石油代替エネルギー源として小規模な家庭用から大規模な発電システムまでの広い分野でその実用化が期待されている。これらは使用原料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類され、なかでも現在市場に流通しているものの多くは結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型と多結晶型に分類されている。単結晶シリコン太陽電池は基板の品質が良いために変換効率の高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが高いという短所を有する。
【０００３】
これに対して多結晶シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中でその需要は増加しており、より低コストで高い変換効率が求められている。こうした要求に対処するためには多結晶シリコン基板の低コスト化、高品質化が必要であり、高純度のシリコンインゴットを歩留良く製造することが求められている。
【０００４】
多結晶シリコン太陽電池に用いる多結晶シリコン基板は一般にキャスティング法と呼ばれる方法で製造される。このキャスティング法は、離型材を塗布した黒鉛などからなる鋳型内に高温で加熱溶解させたシリコン融液を注湯して鋳型底部より一方向凝固させたり、シリコン原料を鋳型内に入れて一旦溶解した後、再び底部より一方向凝固させたりして、シリコンインゴットを形成する方法である。このシリコンインゴットの端部を除去し、所望の大きさに切断して切り出し、切り出したシリコンインゴットを所望の厚みにスライスして太陽電池を形成するための多結晶シリコン基板を得る。
【０００５】
このような多結晶シリコンインゴットを作製するための一般的な鋳造装置を図３に示す。
【０００６】
上部にはシリコン原料１３を溶融するための溶解坩堝１が保持坩堝２に保持されて配置され、溶解坩堝１と保持坩堝２の底部にはシリコン融液１４を出湯するための径が２ｍｍから１０ｍｍである出湯口３を有するノズル５が設けられる。また、溶解坩堝１、保持坩堝２の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段６、側部加熱手段７が配置され、溶解坩堝１、保持坩堝２の下部にはシリコン融液１４が注ぎ込まれる鋳型９が配置され、その外側に鋳型断熱材１１が設けられる。さらに、鋳型９の下部には冷却手段１２が設けられ、鋳型９の上部にはシリコン融液１４の凝固を制御するための鋳型加熱手段８が配置される。
【０００７】
溶解坩堝１は例えば高純度石英などからなり、その底部にはシリコン原料であらかじめ出湯口３を塞いでおき、その上にシリコン原料１３を投入し、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどからなる上部加熱手段６と側部加熱手段７で溶解坩堝１の上部のシリコン原料１３から下部のシリコン原料１３へと徐々に溶解し、最後に出湯口を塞ぐシリコン原料を溶解させ、ノズル５から出湯させるように構成した。（例えば、特許文献１参照）この方法においては溶解坩堝１の上部から徐々にシリコン原料１３を溶融するため、シリコン原料１３が完全に融液となった瞬間に出湯が開始されることからシリコン原料溶解後の出湯を効率よく行うことが出来る。
【０００８】
鋳型９は例えば黒鉛などからなり、例えば、一つの底部材と４つの側部材を組み合わせた分割、組み立て可能な分割鋳型などで構成される。離型材層１０は、シリコンの窒化物である窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコンの炭化物である炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコンの酸化物である酸化珪素（ＳｉＯ２）などの粉末が用いられ、これらの粉末を適当なバインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合して攪拌してスラリーとし、鋳型内壁に塗布もしくはスプレーなどの手段でコーティングすることが公知の技術として知られている。鋳型断熱材１１は抜熱を抑制するものであり耐熱性、断熱性などを考慮して主成分としてカーボンを含む材質のものが用いられる。鋳型加熱手段８は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどが用いられる。鋳型９の側壁部をグラファイト質成形体などからなる鋳型断熱材１１で覆い、冷却手段１２によって鋳型９内に注湯されたシリコン融液１４を下部から冷却することによって、鋳型９の上方からシリコン融液を加熱するだけで、シリコン融液を下部から上部へ向けて一方向凝固させて、多結晶シリコンインゴットを得ることができる。なお、これらはすべて真空容器（図示せず）内に配置される。
【特許文献１】特開２００３−２４７７８３号公報
【特許文献２】特開平６−６４９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
鋳型９に出湯された高温のシリコン融液１４は出湯完了後、表面からの抜熱が大きいため、シリコン融液１４の表面が先に凝固してしまい、液体の融液が内部に取り残されると、後で取り残された融液が凝固して膨張し、シリコンインゴットの表面があたかも噴火したような状態となりシリコンインゴットに割れが生じる。よって、シリコン融液１４の表面を凝固させないように、シリコン融液１４の表面を鋳型加熱手段８により高温加熱した状態で、鋳型９の下部から抜熱を行うことにより、シリコン融液１４を真直ぐ一方向に凝固させる必要がある。
【００１０】
鋳型９は出湯前に一定温度に温めておく必要はあるが、溶解坩堝１内のシリコン原料１３を溶解している間に、鋳型加熱手段８によりシリコン融液１４の表面が凝固しない温度であらかじめ鋳型９を加熱すると、鋳型９内に塗布された離型材層１０が必要以上に熱せられ、離型材層１０が剥がれてしまうため、シリコン融液の出湯前には鋳型９に塗布した離型材が剥がれない温度で温め、シリコン融液の出湯後にはシリコン融液１４の表面を凝固させないように高温加熱をする必要がある。
【００１１】
さらに、凝固終了後において、急冷するとシリコンインゴットにクラック等のひびや割れが発生する。よって、シリコンインゴットを徐々に冷やすため、鋳型加熱手段８を制御して徐々に冷却する必要がある。
【００１２】
そのため、鋳型加熱手段８の温度制御を行うために、出湯開始や凝固終了のタイミングを検出する必要があり、その方法として、従来においては作業者が出湯や凝固終了時間近くから鋳造装置を監視し出湯開始や凝固終了を目視確認する方法を用いていたが、鋳造装置が複数台ある場合には、作業者数が複数人必要となり、人件費がかかるため高コストとなる。
【００１３】
また、特許文献２では、図４で示されるようにシリコン融液を鋳型へ徐々に供給し凝固する際に、シリコン融液１４の液面を検知する方法として、鋳型９に施した熱電対１５により、シリコン融液１４の凝固時における温度変化を測定する方法と、放射温度計４によりシリコン融液１４の凝固時における赤外線放射の変化を測定する方法が開示されている。
【００１４】
しかしながら、熱電対１５を使用した場合、熱電対１５の反応性の悪さから出湯の検知に遅れを生じるという問題があり、また鋳型９の下部から抜熱を行うことにより、シリコン融液１４を真直ぐ一方向に凝固させるため、最後に凝固する場所がシリコン融液１４の表面中央部であり、その結果、鋳型９に施した熱電対１５では凝固終了を検知できないという問題がある。
【００１５】
また放射温度計４を使用した場合、鋳型９の底部を測定するには、図４で示されるように放射温度計４を鋳造装置の上方に設置し、溶解坩堝１と鋳型９の距離も大きくとる必要があり、その結果、融液の飛び散りが激しくなり、また鋳造装置全体を大きくせざるをえない。また、液面が上昇するごとに、放射温度計４の監視方向を液面に付随して動かす機能を有する必要があり、場合によっては鋳造装置１台につき放射温度計４を数台設置する必要があるため高コストとなる。また、鋳型加熱手段８において放射温度計４の監視方向にあたる部分を除去する必要があるが、放射温度計４が動くため、鋳型加熱手段８のかなり広い部分が除去され有効にシリコン融液１４の表面を加熱することができないという問題がある。
【００１６】
また、シリコン融液１４は、鋳型９内部に徐々に供給されるので、その間に鋳型加熱手段８により鋳型内が高温に加熱され、シリコン融液１４が満たされる前に鋳型内の離型材層１０が剥がれ落ちるという問題もある。
【００１７】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、必要な温度を簡単かつ確実に検知して、より有効に自動化して鋳型加熱手段の温度を制御し、高品質のシリコンインゴットを低コストで得る鋳造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１の鋳造装置は、シリコン原料を加熱溶解したシリコン融液を底部に設けた出湯口から出湯する溶解坩堝と、前記出湯口に垂下して設けられたノズルと、前記溶解坩堝の下方に配置され、側部と底部とからなり上部に開口した鋳型と、前記鋳型の側部の外周を囲繞するように配設された鋳型断熱材と、前記鋳型と前記溶解坩堝との間に配設された鋳型加熱手段と、前記鋳型の下方に配設された冷却手段と、前記ノズルの直下部を監視するように配設された放射温度計と、前記放射温度計によって測定された温度に基づいて前記鋳型加熱手段の加熱状態を制御する温度制御手段と、を具備している。
【００１９】
また、本発明の請求項２の鋳造装置は、請求項１に記載の鋳造装置において、前記放射温度計は、前記鋳型の内部に出湯を完了したときのシリコン融液の液面位置に該当する前記ノズルの直下部を監視するように配設されている。
【００２０】
そして、本発明の請求項３の鋳造装置は、請求項２に記載の鋳造装置において、前記鋳型の側部および底部は、鋳型内部側に離型材層を備えるとともに、前記放射温度計は、その監視する方向の延長線上に前記側部の離型材層が位置するように配設されている。
【００２１】
さらに、本発明の請求項４の鋳造装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の鋳造装置において、前記ノズルは、その出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状が矩形状または楕円形状であり、この投影形状の長手方向は、前記放射温度計の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線と同一方向とした。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明によれば、シリコン原料を加熱溶解したシリコン融液を底部に設けた出湯口から出湯する溶解坩堝と、前記出湯口に垂下して設けられたノズルと、前記溶解坩堝の下方に配置され、側部と底部とからなり上部に開口した鋳型と、前記鋳型の側部の外周を囲繞するように配設された鋳型断熱材と、前記鋳型と前記溶解坩堝との間に配設された鋳型加熱手段と、前記鋳型の下方に配設された冷却手段と、前記ノズルの直下部を監視するように配設された放射温度計と、前記放射温度計によって測定された温度に基づいて前記鋳型加熱手段の加熱状態を制御する温度制御手段と、を具備している。ノズルから出湯直後のシリコン融液を放射温度計によってダイレクトに監視することによって行うので、極めて測定のレスポンスがよく、より確実に鋳型加熱手段の温度制御を行うことができる。
【００２３】
また、放射温度計は、前記鋳型の内部に出湯を完了したときのシリコン融液の液面位置に該当する前記ノズルの直下部を監視するように配設されているので、出湯を完了した後にも、シリコン融液の表面温度を引き続いてモニタすることができるとともに、シリコン融液の表面温度を一定に保ち、表面から抜熱してシリコン融液の表面が凝固しないように、温度制御手段によって、鋳型加熱手段の温度を制御することできるので、鋳型内部のシリコン融液を確実に一方向凝固させることができる。また、放射温度計の監視方向が鋳型に出湯された後のシリコン融液の表面部であるため、溶解坩堝のノズルと鋳型との距離を必要以上に大きくとる必要がなく、よって鋳造装置全体を大型化することなく、また、監視方向が１点に固定されているため、放射温度計を動かす機能を付随させる必要がなく、コストを抑えることができる。
【００２４】
そして、鋳型の側部および底部は、鋳型内部側に離型材層を備えるとともに、前記放射温度計は、その監視する方向の延長線上に前記側部の離型材層が位置するように配設されている。これによって、放射温度計によって離型材層の温度をモニタすることもできるので、あらかじめ求めておいた、離型材層が剥がれ落ちない温度領域となるように、鋳型加熱手段の温度制御を行えば、離型材層が剥がれ落ちて、出湯されたシリコン融液に混入したり、凝固したシリコンインゴットと鋳型が付着して鋳型やインゴットにダメージが入ったりする恐れがなくなる。また、監視位置を１点に限っているため放射温度計を動かす機能を付随させる必要がなく、また別途熱電対等の温度測定器を設置する必要もないため、その結果、コストを削減することができる。
【００２５】
さらに、ノズルは、その出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状が矩形状または楕円形状であり、この投影形状の長手方向は、前記放射温度計の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線と同一方向としたので、出湯したシリコン融液が放射温度計の監視範囲を有効に通過するため、誤差を少なくして温度を検知することができるため、放射温度計の監視範囲と鋳型へと落下するシリコン融液とのずれをより小さくすることができ、出湯検知漏れを防ぐことができる。
【００２６】
以上のように、本発明においては、放射温度計により、出湯前の鋳型に塗布された離型材層の温度、出湯検知、シリコン融液の表面温度、凝固終了検知、シリコンインゴットの表面温度を管理し、鋳型加熱手段の温度制御ができるため、作業者の負担が軽減され、作業者待ち等の問題がなくなり、自動的にシリコン融液の凝固工程や冷却工程に移行でき、スムーズにシリコンの鋳造を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明にかかる鋳造装置を示す図である。図１に示すように、溶解坩堝１は、投入されたシリコン原料１３を加熱溶解するものであり、通常は高純度の石英等が用いられるが、シリコン原料の融解温度以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解等を生じにくく、かつ太陽電池特性を落とさない純度であれば特に限定されない。また、溶解坩堝１は高温になると軟化して、形を保てないために、グラファイトなどからなる保持坩堝２で保持される。
【００２９】
溶解坩堝１、保持坩堝２の寸法は、一度に溶解する溶解量に応じたシリコン原料１３を内包できる寸法である必要がある。シリコン原料１３の溶解量は、およそ１ｋｇから１５０ｋｇの範囲である。
【００３０】
溶解坩堝１の底部には、出湯口３が設けられており、その径は例えば２ｍｍから１０ｍｍ以下に形成される。そして、出湯口３の下部にはノズル５が垂下して、すなわち垂直下方に向けて設けられる。ノズル５も石英などからなり全体が筒状に形成され、通常溶解坩堝１と一体に形成される。なお、溶解坩堝１とは、別体に形成して、溶解坩堝１の底部に取り付けるようにしてもよい。ノズル５は、出湯したシリコン融液の飛散を抑えるためのものであり、溶解坩堝１の底部から垂下するように設けることが望ましい。
【００３１】
出湯初期においては、出湯口３を通過する融液は水位に依存する圧力によって押し出されるが、出湯後期には水位による圧力がほとんどなくなるために、自重による落下で出湯口３から流れ出るようになる。従って、無駄なく出湯させるためには、溶解坩堝１、保持坩堝２の底部はある一定に以上の傾斜が必要である。
【００３２】
溶解坩堝１、保持坩堝２の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段６、側部加熱手段７が配置され、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。
【００３３】
この溶解坩堝１の下方には、鋳型９が配置されている。鋳型９は、上部に開口部を備え底部と側部とを有する構成であり、その内部にシリコン融液１４を保持・凝固させることができるようになっている。この鋳型は、例えば、カーボンや炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）などからなり、鋳型の底部を構成する一つの底部材９ａと、鋳型の側部を構成する４つの側部材９ｂとを組み合わせた分割、組み立て可能な分割鋳型などで構成される。なお、底部材９ａと側部材９ｂとは、ボルト（不図示）などで固定することによって分割可能に組み立てられたり、底部材９ａと側部材９ｂとが丁度嵌まる枠部材（不図示）で固定されたりすることによって分割可能に組み立てられる。
【００３４】
なお、鋳型９の内表面には、離型材層１０を塗布することが望ましい。このような離型材層１０を設けることによって、鋳型９の内部のシリコン融液１４を凝固した後に鋳型９の内壁とシリコンインゴットとが融着することなく、底部材９ａや側部材９ｂを何回も繰り返して使用することができる。このような離型材層１０としては、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の粉体をポリビニルアルコール水溶液で混ぜ合わせて鋳型９の内面に塗布する。ポリビニルアルコール水溶液などで混合することによって、粉体である窒化シリコンがスラリー状となり、黒鉛製の鋳型９に塗布しやすくなる。窒化シリコンの粉体としては、０．４〜０．６μｍ程度の平均粒径を有するものが用いられ、このような窒化シリコンと濃度が５〜１５重量％程度のポリビニルアルコール水溶液に混合してスラリー状とし、へらや刷毛などで鋳型９の内表面に塗布する。その状態で自然乾燥又はホットプレートに載せて乾燥させて脱脂処理した後、鋳型９内にシリコン融液１４が出湯される。鋳型９の内表面への離型材層１０の塗布は、窒化シリコンと二酸化シリコンの粉体を混合したものを、塗布することも可能である。また、スラリーを塗布するだけではなく、プラズマ溶射機を用いて直接、離型材層１０を設けても良い。
【００３５】
この鋳型９の側部には、その外周を囲繞するように鋳型断熱材１１が設けられる。この鋳型断熱材１１を設ける目的は、シリコン融液１４を鋳型９に保持したときに、鋳型９の側部からの抜熱を抑制し、後述する鋳型加熱手段８と冷却手段１２とによる一方向凝固を行いやすくするためである。鋳型断熱材１１としては、グラファイトフェルトなどの主成分をカーボンとする材質が望ましく、特にその表面をカーボンの粉体でコーティング処理を行ったものを用いれば、シリコン融液が付着したときに、劣化するという問題を減少させることができるので望ましい。
【００３６】
鋳型９と溶解坩堝１との間には鋳型加熱手段８が配設されている。鋳型加熱手段８によって、出湯前の鋳型９はある一定温度にあたためられ、出湯後、この鋳型加熱手段８から鋳型９の内部に保持したシリコン融液１４に対して、上部から熱を供給することによって、その凝固を制御し、一方向凝固を行うことができる。例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。
【００３７】
そして、鋳型９の下方には、冷却手段１２が設けられている。冷却手段１２は鋳型９の内部に保持したシリコン融液１４に対して、その下方から抜熱するという作用を有しており、上述の鋳型加熱手段８によって同時に加熱することによって、シリコン融液１４の下部から上部へと向けて一方向凝固を行うことができる。冷却手段１２としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）などの金属板を用いることができ、内部に水などの冷媒を循環させるなどして、鋳型９の内部のシリコン融液１４を効果的に抜熱できるように構成されている。
【００３８】
さらに、本発明においては、ノズル５の直下部を監視するように放射温度計４が配設され、この放射温度計４からの出力は、温度制御手段であるプログラマブルコントローラー１６に配線されている。このプログラマブルコントローラー１６は鋳型加熱手段８に配線され、放射温度計４で検知された温度に基づいて、鋳型加熱手段８の加熱状態を制御できるように構成されている。
【００３９】
次に、上述の本発明の構成によるシリコン融液の出湯の制御方法を説明する。
【００４０】
まず、溶解坩堝１内にシリコン原料１３を供給する。その際、出湯口を塞ぐシリコン原料であらかじめ出湯口３を塞いでおく。次に、ヒーターに通電して上部加熱手段６を駆動して、溶解坩堝１内のシリコン原料１３を所定温度に加熱して上方から徐々に溶解する。溶解坩堝１内の上方のシリコン原料１３の一部が融液になったら、側部加熱手段７を駆動して、シリコン原料１３の溶解を促進する。上部加熱手段６を駆動した後に、側部加熱手段７を駆動することで、ノズル５の出湯口３に近いシリコン原料１３は出湯まで低温で保たれ、まだ溶けていないシリコン原料１３の隙間を流れ落ちてきた融液が出湯口３の周囲で凝固する。そのため、溶解坩堝１内のシリコン原料１３が完全に融液に変わるまで、シリコン融液は溶解坩堝１から流れ落ちにくくなって溶解坩堝１内に保持される。そして、出湯口３を塞ぐシリコン原料が融液となることで、ノズル５により出湯したシリコン融液１４の飛散を抑えながら、鋳型９内に出湯される。
【００４１】
このとき、従来は作業者が目視で出湯のタイミングの確認を行ったり、鋳型に設けられた、熱電対や放射温度計の温度上昇によって出湯のタイミングの確認を行ったりしていたため、実際の出湯のタイミングとのずれがあったが、本発明の構成によれば、放射温度計４がノズル５の直下部を監視するように配設されているので、出湯したシリコン融液１４が通過すると、１０００度以上の高温体が確認されるため、タイミングを即座に知ることができる。
【００４２】
放射温度計４に結線された温度制御手段であるプログラマブルコントローラー１６は、放射温度計４によって測定された温度を検知して、シリコン融液１４の出湯のタイミングを認知し、これに基づいて、次の凝固工程に移行すべきことを判断する。そして、鋳型加熱手段８に対して、温度制御を行い、鋳型９に注湯されたシリコン融液１４の表面を凝固させないように高温加熱する。
【００４３】
従来は、出湯の検知を、図４に図示したように鋳型９に施した熱電対１５や、鋳型９に出湯されたシリコン融液１４の表面を放射温度計４で検知することによって行っていたが、本発明はノズル５から出湯直後のシリコン融液１４を放射温度計４によってダイレクトに監視することによって行うので、極めて測定のレスポンスがよく、より確実に鋳型加熱手段８の温度制御を行うことができる。
【００４４】
また、放射温度計４は、鋳型９の内部に出湯を完了したときのシリコン融液１４の液面位置に該当するノズル５の直下部（図１の例ではＡ部）を監視するように配設することが望ましい。溶解坩堝１内のシリコン原料１３が完全に融液となり、鋳型９内に出湯される際、出湯口３に設けられたノズル５は垂下しているため、シリコン融液１４は、直下部の鋳型９内に落下し、やがて出湯を完了して所定の液面位置（Ａ部）となる。このとき、放射温度計４は、Ａ部を監視するように配設されているので、出湯を開始したタイミングを検知できるのはもちろんであるが、出湯を完了した後にも、シリコン融液１４の表面温度を引き続いてモニタすることができる。
【００４５】
シリコン融液１４の凝固工程においては、シリコン融液１４が鋳型９内に満たされた後、冷却手段１２によってその下方から抜熱を行い、鋳型加熱手段８により同時に加熱することによって、シリコン融液１４の下部から上部へと向けて一方向凝固を行う。このとき、放射温度計４によりシリコン融液１４の表面温度を測定することで、放射温度計４で検知された温度、すなわちシリコン融液１４の表面温度を一定に保ち、表面から抜熱してシリコン融液１４の表面が凝固しないように、温度制御手段であるプログラマブルコントローラー１６によって、鋳型加熱手段８の温度を制御する。これによって、鋳型９内部のシリコン融液１４を確実に一方向凝固させることができる。
【００４６】
また、シリコン融液１４が下部から凝固していき、最後にシリコン融液１４の表面が凝固する。このとき、液体と固体による放射率の違いによって、放射温度計４により測定される温度は変動することから、シリコン融液１４の凝固を検知することができる。その後、冷却工程に移行し、凝固したシリコンインゴットを除冷するため、放射温度計４で凝固したシリコンインゴットのＡ部の温度を測定し管理することで、鋳型加熱手段８の温度を制御する。
【００４７】
このように鋳型９の底部を測定することがなく、よって図４に示されるように放射温度計４を鋳造装置の上方に設置し、溶解坩堝１と鋳型９の距離も大きくとる必要がないため、溶解坩堝１と鋳型９の距離が小さくでき、その結果出湯におけるシリコン融液の跳び散りを抑えることができ、また、放射温度計４の監視範囲と鋳型へと落下するシリコン融液とのずれが小さく、出湯検出漏れを生ずることもない。また、放射温度計４がある方向の鋳型９や鋳型断熱材１１の上部、鋳型加熱手段８に溝などをつけることによって、溶解坩堝１と鋳型９の距離をより小さくすることができるため、放射温度計４の監視範囲と鋳型９へと落下するシリコン融液とのずれをより小さくすることができる。また、監視位置を１点に限っているため放射温度計４を動かす機能を付随させる必要がなく、また別途熱電対等の温度測定器を設置する必要もないため、その結果、コストを削減することができる。
【００４８】
さらに、上述において鋳型９の側部材９ｂおよび底部材９ａは、鋳型内部側に離型材層１０を備えることが望ましいことを説明したが、この場合、放射温度計４は、その監視する方向の延長線上に側部材９ｂ上に設けられた離型材層１０が位置するように配設することが望ましい。放射温度計４を上記方向に固定することにより、まずシリコン原料１３が溶解坩堝１内で溶解されているときには、放射温度計４は監視方向にあたる鋳型９に設けられた離型材層１０の温度を測定することになる。この離型材層１０の温度を温度制御手段であるプログラマブルコントローラー１６によってモニタしながら、あらかじめ求めておいた離型材層１０が剥がれ落ちない温度領域となるように、鋳型加熱手段８の温度制御を行えば、離型材層１０が剥がれ落ちて、出湯されたシリコン融液１４に混入したり、凝固したシリコンインゴットと鋳型９が付着して鋳型９やインゴットにダメージが入ったりする恐れがなくなる。
【００４９】
また、出湯検知後に鋳型加熱手段８の温度を上げ、またシリコン融液を一気に鋳型９内に出湯するため、鋳型加熱手段８によって離型材層１０に必要以上の熱がかからず、離型材層１０が剥がれ落ちる心配はない。
【００５０】
また、本発明において、ノズル５は、その出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状が矩形状または楕円形状であり、この投影形状の長手方向は、放射温度計４の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線と同一方向とすることが望ましい。図２を用いて具体的に説明する。
【００５１】
図２は、鋳型９を上から見たときの図であるが、説明のためノズル５および放射温度計４と、これらにかかる投影形状を付け加えてある。ノズル５の出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状（以下、内周投影形状５ａと称する）は、矩形状であり、その長手方向が放射温度計４の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線（以下、監視投影線４ａと称する）と同一方向となっている。図２では内周投影形状５ａは、矩形状であるが、楕円形状でもよい。この場合は、楕円の長軸の方向を長手方向とする。
【００５２】
このように、ノズル５にかかる内周投影形状５ａを矩形状または楕円形状にし、その長手方向が、放射温度計４にかかる監視投影線４ａと同一方向にすれば、出湯したシリコン融液１４が放射温度計４の監視範囲を有効に通過するので、誤差を少なくして温度を検知することができるため、放射温度計４の監視範囲と鋳型９へと落下するシリコン融液１４とのずれをより小さくすることができ、出湯検知漏れを防ぐことができる。ノズル５の大きさは、例えばその開口部の面積（出口部内周の輪郭形状）を５〜８０ｍｍ２とし、長手方向（楕円形状では長軸）の長さが短手方向（楕円形状では短軸）の長さの１．３〜３．０倍とすることが望ましい。また、出湯口３の形状もノズル５と同様に矩形状または楕円形状にしてもよい。
【００５３】
また、図２に示すように、ノズル５の出口部と、鋳型９の略中心部とが一致するように鋳型９を配置することが望ましい。このように配置することによって、放射温度計４が監視する鋳型９内部のＡ部は、出湯されたシリコン融液１４の中央部と一致するので、放射温度計４によって測定される温度は、シリコン融液１４を代表する温度として妥当性を有するものとなり、測定した結果の信頼性がより高まるからである。
【００５４】
以上説明したように、本発明においては、放射温度計４により、出湯前の鋳型９に塗布された離型材層１０の温度、出湯検知、シリコン融液の表面温度、凝固終了検知、シリコンインゴットの表面温度を管理し、鋳型加熱手段８の温度制御ができるため、作業者の負担が軽減され、作業者待ち等の問題がなくなり、自動的にシリコン融液の凝固工程や冷却工程に移行でき、スムーズにシリコンの鋳造を行うことができる。
【００５５】
なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。
【００５６】
例えば、上述の説明では、温度制御手段として、プログラマブルコントローラー１６（シーケンサ）を用いた例によって説明した。このようなプログラマブルコントローラーは、この機械制御の分野においては極めてよく知られているものであって、単機能を有するモジュールを組み合わせてユニット化して用いたり、機能を特化した１つのモジュールを用いて構成される。本発明にかかる温度制御手段の場合は、放射温度計４からの出力は、例えばアナログの電圧値（例えば、温度値が１０００℃の時は１０Ｖのように、１／１００の値となるような電圧値として）として取り込まれるため、これをデジタル値に変換する機能を有するモジュールや、鋳型加熱手段８の温度を制御するＰＩＤ制御機能を有するモジュールなどと適宜組み合わせて用いたりすればよい。さらに、プログラマブルコントローラーを用いる代わりに、汎用のパソコンに制御用のインターフェース機構を設けてもよく、全く同様の結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の鋳造装置の構成を示す図である。
【図２】ノズル形状と放射温度計の監視方向との位置関係を示す図である。
【図３】従来の鋳造装置の構成の一例を示す図である。
【図４】従来の鋳造装置の構成の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１：溶解坩堝
２：保持坩堝
３：出湯口
４：放射温度計
４ａ：監視投影線
５：ノズル
５ａ：内周投影形状
６：上部加熱手段
７：側部加熱手段
８：鋳型加熱手段
９：鋳型
９ａ：底部を構成する底部材
９ｂ：側部を構成する側部材
１０：離型材層
１１：鋳型断熱材
１２：冷却手段
１３：シリコン原料
１４：シリコン融液
１５：熱電対
１６：温度制御手段であるプログラマブルコントローラー
【図１】
2005177851.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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